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Introduction partie I: Quest-ce que lIRM cérébrale? Oury monchi, PhD Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université

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Présentation au sujet: "Introduction partie I: Quest-ce que lIRM cérébrale? Oury monchi, PhD Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université"— Transcription de la présentation:

1 Introduction partie I: Quest-ce que lIRM cérébrale? Oury monchi, PhD Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal RAD6005 – Introduction à lIRMf

2 Plan du cours RAD6005, hiver conférences de 3 heures 5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur 1 examen devant ordinateur (30%) 1 présentation (10%) 1 examen écrit (70%) 3 crédits 9 avril 21 avril 24 et 31 mars

3 Cours théoriques 1. (13 janvier) Introduction IRM et anatomie 2. (20 janvier) Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Rick Hoge) 3. (27 janvier) Reconstruction d'images (Dr. Rick Hoge) 4. (3 février) BOLD et devis expérimentaux 5. (10 février) Prétraitement 6. (17 février) Analyses d'images IRMf 7. (10 mars) Normalisation 8. (17 mars) IRM structurelle 9. (24 mars) ***Présentations orales 1*** 10. (31 mars) ***Présentations orales 2*** 11. (7 avril) Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec) 11. (21 avril) **Examen théorique**

4 Ateliers informatiques (Jean-Sebastien Provost) 1. Vérification des données et pré-traitement (19 février) 2. Modèle linéaire (26 février) 3. Moyennage et normalisation (12 mars) 4. Seuillage et visualisation des données (19 mars) 5. Repérage des zones et report des résultats (26 mars) 6. Examen pratique (données à analyser, 9 avril)

5 Résolutions temporelles et spatiales Chaque technique a une résolution temporale et spatiale différente.

6 Études anatomiques Études Fonctionnelles Études physiologiques Techniques dIRM Pas couverts dans ce cours

7 Notre Siemens 3T

8 Histoire La première image IRM a été publiée en 1973 La première image dun sujet humain a été complétée en 1977 et a pris presque 5 heures à acquérir (Damadian et al.) En 2003, Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leur découverte

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10 Bobine de radiofréquence La bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme

11 Principes de base de lIRM Aimant: Champ magnétique (B 0 ) très puissant (de 1 à 7T) et homogène, qui va inciter les protons dhydrogène à saligner. **Champ magnétique de la terre = T!!** Bobine de radiofréquence: envoie une impulsion (B 1 ) à la fréquence de résonance de lhydrogène. Après être entrés en état de résonance, ces protons reviennent à leur état de base à des vitesses différentes suivant le tissu dans lequel ils se trouvent. Ceci génère un contraste (p.ex. T1) Bobine de gradients: le signal généré par la RF ne nous donne pas dinformation spatial en temps que tel, ce sont les bobines de gradients alignées sur trois axes (x,y,z) qui nous permettent de le faire.

12 Spins des protons dHydrogène IRM: Principes de Base

13 Spins des protons dans le champ statique B 0 IRM: Principes de Base

14 Effets de radiofréquences en résonance IRM: Principes de Base

15 Temps de relaxation des spins (T 1 et T 2 ) IRM: Principes de Base

16 Temps de relaxation de T 1 et T 2 IRM: Principes de Base

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18 Principes de base de lIRM Gradients: Chaque gradient crée un champ dans une direction différente. Il y en a donc trois, pour couvrir les trois axes.

19 IRM: Sécurité Le champ magnétique B0 est toujours présent, même lorsque le scanner nest pas en marche. Ceci veut dire que tout métal est interdit à tout temps dans la salle dIRM

20 IRM: Sécurité

21 Différentes méthodes Anatomie Peut être acquise avec différents contrastes (T1, T2, PD) donne des informtions complémentaires, ou anatomie vasculaire Voxel-based morphometry (méthode danalyse) Méthode pour regarder les différences de volume de matière blanche ou grise entre plusieurs cerveaux DTI (imagerie à tenseurs de diffusion) Sert à regarder les fibres de la matière blanche Spectroscopie Utilise les spins dautres molécules que lhydrogène (tel que le carbone) pour créer une image

22 Anatomie: T1

23 Anatomie vasculaire

24 Voxel Based Morphometry Brenneis et al., JNNP

25 Imagerie en tenseurs de diffusion (DTI)

26 Spectroscopie

27 Imagerie en résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

28 Principes de base de lIRMf On connait une relation entre lactivité cérébrale et le taux dhémoglobine déoxygéné dans le sang Début des années 90, il a été découvert quune séquence dimpulsions produites par lIRM pourrait mesurer le taux dhémoglobine déoxygénée Ceci a donné naissance au Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI, ou T2*, qui nous donne une mesure indirecte de lactivité cérébrale

29 Principes de base de lIRMf

30 Principes de base de lIRMf (BOLD)

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33 Arterial spin-labeling (ASL) Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau. Nul besoin dinjecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT) Les mesures de flux peuvent sacquérir rapidement

34 Principes de lASL 1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique 2. Acquérir l image marquée 3. Répéter léxpérience sans marquage 4. Acquérir limage contrôle

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36 K.J. Bangen et al. / Neurobiology of Aging 30 (2009) 1276–1287

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38 Principes de base de lIRMf Pour pouvoir visualiser un effet, il faut moyenner beaucoup de sujets avec beaucoup de runs chacun

39 Types de dessins expérimentaux et analyses

40 Dessins expérimentaux Block design (dessin en blocks) Comparaison de longues périodes (ex 16s) dune condition avec une longue période dune autre condition Approche traditionnelle Le plus puissant en termes statistiques Dépend moins du modèle hémodynamique créé Event-related design (dessin évènementiel): Comparaison de conditions à périodes courtes (ex 1s) Plus récent environ 1998 Moins puissant statistiquement, mais a beaucoup davantages

41 Dessins expérimentaux Dessin en blocks Dessin évènementiel espacé Dessin évènementiel mixte

42 Analyses Correction du mouvement Chaque sujet bouge un peu pendant la session Si une structure est à une place au début et une autre à la fin, les analyses ne seront pas valides Smoothing, ou lissage Normalisation Chaque cerveau est différent, il faut quils se ressemblent pour pouvoir les comparer les uns aux autres Application dun modèle linéaire Création de cartes statistiques Pre- processing

43 Analyses

44 Modeling the expected response (fmridesign)

45 (From Dr. J. Armony) Modeling the data (GLM)

46 (From Dr. J. Armony)

47 Connectivité Connectivité fonctionelle: On choisit une région dintérêt, et on voit quelles régions corrèlent avec On ne verrait pas de différence entre ces deux situations Connectivité effective: On choisit plusieurs région dintérêt et une région avec laquelle on pense quelle corrèle, et on regarde si cest une corrélation directe ou non On peut voir la différence entre ces deux situations

48 Connectivité Le but est didentifier les régions qui se co-activent – i.e. daprès le modèle linéaire, quelles régions varient ensemble?

49 Importance des hypothèses Science sans conscience nest que ruine de lâme! (François Rabelais) Une expérience sans question ou hypothèse ne sert pas à grand chose et peut être coûteuse! Limportant cest la question, si lIRMf peut y répondre. Il faut savoir faire des dessins expérimentaux appropriés.

50 Importance des hypothèses We are also believers in good old-fashioned experimental design, like those dreaded psychophysicists that you keep mentioning. We try to teach our students that the most amazing patient or the most advanced method is useless if you dont design the experiments right. Which may seem obvious, but apparently it isnt always! I worry that many of my colleagues have become so entranced with neuroimaging that they think cognitive neuroscience is just cognitive neuroimaging. This is really unfortunate because there are fundamental questions that imaging cant answer and patient-based research can. Prof. Martha Farah

51 Variations dans lIRMf Attention: Attention les différences BOLD entre 2 groupes surviennent des différences dactivité neuronale, mais aussi différences dans le métabolisme chez les individus. Cette différence augmente si lon compare des individus dâge différent ou atteints de maladies différentes Certains chercheurs essaient de répondre à cette question, en faisant dautres types dacquisitions qui sintéressent plus spécifiquement au métabolisme (ex Dr. Rick Hoge au CRIUGM)

52 Paramètres Nécessaires lors de la Publication dArticles en IRMf

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64 Théorie proposée Monitoring/association Comparaison/SélectionAssociationstimulus/action Organisation dans la mémoire de travail Planification, sélection ou exécution dune nouvelle action Niveaux Putamen CORTEXPréfrontal Caudé ventral Caudé dorsal Dorsal 9, 46 Ventral47/12 Postérieur int 6, 8, 44 STRIATUM

65 Montreal Card Sorting Task, Étude I Cue card Retrieval w/o shift Retrieval w/ shift vs Monchi et al., Ann. Neurol., 2006 Prédictions avec changement: CPF-VL+ Noyau caudé sans changement: CPF-VL, PAS de striatum

66 Montreal Card Sorting Task Changement de règle continu Matching according to colour Matching according to number Condition contrôle Prédictions Changement de règle continu: CPF-VL, PAS de striatum

67 IRMf MCST: Contrôles en santé 3 7T-stat Cue Card Cue Card Retrieval NO shift Retrieval NO shift VS Control Cue Card Cue Card Retrieval WITH shift Control VS X = 18 Continuous shift Control VS Y = -4 VL-PFC Caudate VL-PFC No striatum VL-PFC No striatum Monchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology

68 Continuous shift Retrieval WITH shift VS Retrieval WITH shift VS Retrieval NO shift Retrieval NO shift fMRI MCST: Healthy Controls X = T-stat Caudate Le noyau caudé nest pas particulièrement impliqué dans le changement de règle en soi, mais dans la planification dune nouvelle action. Monchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology Cue Card Cue Card 3 5 T-stat X = 12 CaudatePutamen

69 Lecture recommandée et remerciements Functional Magnetic Resonance Imaging, de Scott A. Huettel, Allen W. Song et Gregory McCarthy Mise en place des diapos Kristina Martinu, PhD, alumni PCAN lab Diapositives:

70 Introduction partie II: Neuroanatomie RAD6005 – Introduction à lIRMf

71 Comment peut-on voir le cerveau ? Autopsies Neurochirurgies Techniques dimageries Computerized axial tomography (CT) Spectroscopie (SPECT) Tomographie par émission de positron (PET) Imagerie par résonance magnétique (MRI) Très utile de connaître votre neuroanatomie Images sont fantastiques si vous savez ce que vous devez voir…

72 Comment doit-on regarder un cerveau ?

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78 1 1 n=1 n=12

79 Devant (vue antérieure) Derrière (vue postérieure) Dessous (vue inférieure) Côté gauche (vue latérale) Côté droit (vue latérale) Dessus (vue supérieure) Terminologie d orientation: les différentes vues

80 Terminologie dorientation Supérieur / Dorsal i.e. vers le dos Inférieur / Ventral i.e. vers le ventre Antérieur / Rostral i.e. vers le nez Postérieur / Caudal i.e. vers la queue Toujours supérieur Toujours inférieur Toujours antérieur Toujours postérieur Pour un humain dans la position verticale:

81 Terminologie dorientation Supérieur / Dorsal Inférieur / Ventral Antérieur /Rostral Postérieur / Caudal Ventral/ Antérieur Caudal/Inférieur Rostral/Supérieur Dorsal/Postérieur CERVEAU TRONC CÉRÉBRAL

82 Vue dorsale Vue ventrale Fissure longitudinale Médian Latéral Terminologie dorientation

83 Plan de coupes Axial (transversal) Sagittal (latéral)Coronal

84 Trois types de classification 2- Classification fonctionelle: Identification de régions basée sur des observations comportementales: a) de lésion b) de scan c) de maladie 1- Classification cytoarchitectonique: Identification de régions basée sur lorganisation neuronale

85 3- Classification neuroanatomique: Identification de régions basée sur les structures macroscopiques Trois types de classification

86 Structures corticales Le cerveau est constitué de deux types de« matières »: La matière blanche est constituée de fibres (ex.:axones) & cellules gliales La matière grise est constituée de neurones (corps cellulaire) ex. cortex couche entourant le cerveau + structures sous- corticales Matière blanche Matière grise

87 Lobes cérébraux Le cortex est formé de « bosses » et de « creux ». Les « bosses » sappellent gyrus (gyri) Les « creux » sappellent sulcus (sulci) Extérieur Intérieur

88 Lobes Fissure pariéto-occipitale (voir vue médiane) Sulcus central/Fissure de Rolando Fissure occipitale Sulcus latéral/fissure de Sylvius Lobe frontal Lobe temporal Lobe occipitalLobe pariétal

89 Lobes Lobe frontal Lobe parietal Lobe temporal Insula Sulcus central

90 Lobes Lobe frontal Lobe parietal Lobe temporal Insula

91 Vue latérale hémisphèrique Superior parietal lobule Central sulcusPost-central gyrusPre-central gyrusSuperior temporal gyrus Middle temporal gyrus Inferior temporal gyrus Superior temporal sulcus Inferior temporal sulcus Inferior parietal lobule

92 Vue latérale hémisphèrique Superior frontal gyrus Middle frontal gyrus Inferior frontal gyrus Superior frontal sulcus Inferior frontal sulcus Ascending ramus Horizontal ramus Pars triangularis Pars orbitalis Pars opercularis

93 Vue latérale hémisphèrique Superior parietal lobule Central sulcusPost-central gyrusPre-central gyrusSuperior frontal gyrus Middle frontal gyrus Inferior frontal gyrus Superior frontal sulcus Inferior frontal sulcusSuperior temporal gyrus Middle temporal gyrus Inferior temporal gyrus Superior temporal sulcus Inferior temporal sulcus Ascending ramus Horizontal ramus Pars triangularisInferior parietal lobule Pars orbitalis Pars opercularis

94 Lobes – vue médiane (Cervelet) Lobe occipital Lobe parietal Lobe temporal Lobe frontal Sulcus central Fissure pariéto- occipitale

95 Structures corticales fissure pariéto-occipitale Fissure de Calcarine Cuneus Gyrus lingual Précuneus Lobule Paracentral Sulcus cingulaire Sulcus marginal Gyrus cingulaire Sulcus paracentral Sulcus central Thalamus Hypothalamus

96 Structures sous-corticales Noyaux sous-corticaux: Thalamus Noyau caudé Putamen Globus Pallidus Amygdale Hippocampe Ganglions de la base

97 Globus pallidus Substance noire Thalamus Noyau caudé Noyau rouge Putamen STN Structures sous-corticales

98 Putamen Noyau caudé Putamen Noyau caudé Amygdale

99 Structures sous-corticales PutamenGlobus PallidusNoyau caudéVentricules latérauxInsula Capsule interne Thalamus 3 e ventricule Cervelet

100 Structures sous-corticales Putamen Corps calleuxVentricules latéraux Insula Noyau caudé Hippocampe Capsule interne Globus pallidus

101 Conclusion… Apprendre la neuroanatomie Ou Dépendre des atlas anatomiques Vous pouvez soit:

102 Questions? Pour étudier les structures plus en détail, vous pouvez aller regarder le Digital Anatomist:


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